使用 HEADlab 测量电流

概述

进行数据采集时，通常会使用换能器或传感器将被测物理量转换为电压。因此，数采设备的输入端被设计为电压输入，然后通过模数转换器变成数字信号。

图 1: 使用 HEADlab 模块（如 labVF6-Iso II 和 labSG6）测量电流时，可使用电感式电流传感器或电流检测放大器。

电流传感器会输出一个与电流成正比的电压信号。整个系统的限制不仅取决于测量前端，还取决于电流传感器的特性。因此，需要仔细查阅传感器的相应数据手册。

如果不使用电流传感器，而是通过已知阻值的分流电阻上的压降直接测量电流，数采设备的模拟电路部分可能会因潜在的电位差而面临风险。因此，HEAD acoustics 建议使用与测量前端电气隔离的电流传感器，而不是分流电阻。

本文档列出了使用市售电流传感器测量电流的安全事项。所示示例可应用于类似的电流的传感器。

以下 HEADlab 输入模块可用于电流采集：

• labVF6-Iso II: 测量范围高达 30 V，电气强度 ±40 V，采样率 204.8 kHz，输入端电气隔离。

• labSG6: 测量范围±10 V，电气强度 ±35 V，采样率 48 kHz，输入端电气隔离，内置传感器供电电源。

输入模块的详细技术规格可在相应的数据手册中找到。

开环式电流传感器

这种类型的电感式电流传感器由一个可打开的铁氧体磁环组成，该磁环围绕待测电流流过的导体放置。这使得传感器可以在不中断电路的情况下应用。

铁氧体磁芯包含一个用于检测磁通量的传感器，其信号由集成在内的电路设备转换，变成电压信号输出给数采设备。通过测量磁通量，这种类型的传感器能够检测包括直流分量 (DC) 的电流。它们的带宽受限于磁芯的电感。通常的截止频率是 10 kHz。此类信息可在传感器的数据手册中找到。下面以 Pewatron SWL-500DC 电流传感器的连接为例进行说明。

labSG6 连接开环式电流传感器

labSG6 模块提供电气隔离的输入，并可提供高达 ±12 V 的电桥激励电压，最大电流为 20 mA。（在 ±7 V 时允许最大电流为 28.6 mA，在 ±2.5 V 时为 43.8 mA。详情请参阅 labSG6 数据手册。）因此传感器可以直接由该模块供电。（Pewatron 传感器需要约 7 mA。）

电源正极 (+Vbridge) 连接到 8 针 LEMO 连接器的引脚 1，电源负极 (-Vbridge) 连接到引脚 6。信号输出连接到引脚 3 (In+)。该传感器的信号地（在屏蔽层上）连接到引脚 4 (In-)。

labVF6-Iso II 连接开环式电流传感器

由于 labVF6-Iso II 不提供电桥激励，传感器必须通过外部电源供电。对于 Pewatron 传感器，需要一个对称的 ±12 V 电源，例如可以用 Meanwell GP25A 电源提供。

在所示示例中，使用一个接线盒将传感器电缆分成一个带 BNC 连接器的信号电缆和一个带 5 针 DIN 连接器的电源电缆。

图 2: 当与 labVF6-Iso II 一起使用时，传感器的外部供电需要一根 Y 型电缆。

电流检测放大器 INA240

德州仪器 (Texas Instruments) 的 INA240 是一款高精度、集成的电流检测放大器，通过开发板 (INA240EVM) 实现。根据所用分流电阻的阻值，可以实现不同的测量范围。

图 3: 带 LEMO 插头的 INA240 开发板

首先，必须根据满量程时的期望输出电压VOUT和增益来确定分流电阻上的预期压降VDIFF。增益取决于 INA240 的型号：

VDIFF = VOUT / 增益

然后，通过差分电压 VDIFF 和最大电流 IMAX 的商来计算 RSENSE。

RSENSE = VDIFF / IMAX

分流电阻中的最大功耗为：

PRSENSE = RSENSE x IMAX2

示例：如果开发板输出端的最大电压为 5 V，并且使用 INA240A3，则分流电阻上的压降必须为 50 mV。如果要在 5 A 的电流下实现这一点，则选择一个 10 mΩ 的分流电阻。

传感器的灵敏度将为 1 V/A。在 5 A 时，分流电阻上会耗散 0.25 W 的热功率。电阻器的额定功率必须要高于这个值。

更多信息请参阅 INA240 数据手册。

传感器设置和验证

为了将测量前端输入端测得的电压分配给相应的电流，必须将传感器的灵敏度存储在 ArtemiS SUITE 软件中。为此，在 ArtemiS SUITE 中创建传感器并将其添加到传感器列表中。该过程取决于所使用的 ArtemiS SUITE 的版本，并在软件的帮助页面中有详细描述。

以ArtemiS SUITE 17版本为例：

A：使用labSG6模块

1. 打开传感器数据库，增加Analog sensor，选择Bridge；

   

2. 选择Create New；

   

3. 填写传感器①厂家，②型号，③选择Differential，④选择电流（点击More…可以找到电流单位），⑤设置灵敏度，点击next下一步；

   

4. 填写序列号，名称，实际灵敏度，保存使用；

   

5. 数据采集的时候，在通道设置里面关联传感器，填写传感器需要的供电电压，即可使用。

   

B：使用labVF6-Iso II模块

1. 打开传感器数据库，增加Analog sensor，选择General；

   

2. 选择Create New；

   

3. 填写传感器①厂家，②型号，③选择电流（点击More…可以找到电流单位），其它保持不变，点击next下一步；

   

4. 填写序列号，名称，实际灵敏度，保存即可使用。

   

为了进行验证，可以通过在已知值的（功率）电阻上施加已知电压来生成参考电流。计算出的电流 I = U/R 应与测得的电流相对应。